CN101749641A - 用于大功率led路灯照明的自由曲面偏光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底面，所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成出射面。以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。通过偏光透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域成为一矩形均匀照明面，符合国家道路照明的光分布与照度要求。

Description

用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，具体涉及一种LED路灯的偏光透镜。

背景技术

LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多优势，如节能，环保，易于调节，寿命长等优点，因此非常适合作为各种照明领域的光源，比如道路照明光源。

道路照明系统不同于一般的照明灯具，其照明的场最好为矩形区域，以提高光的利用率。根据国家公路照明标准，要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米×40米)的平均照度以及照度均匀度。

由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，直接用于照明，会在路面上形成一个不均匀的圆斑，中心处很亮，而在径向衰减很快。这就需要设计相应的光学系统来重新配光。目前出现的LED路灯，有使用偏光透镜对LED光源进行配光，这种路灯的光能利用率很高，但是由于中心光强过大无法打散，导致单颗路灯照射距离较短(一般在30米至35米)，若路灯安装间距较大，会在两灯之间出现暗区。而现有的比较成熟的配光方式是在LED光源前安放光学透镜，其中在照射距离和照度均匀度做的比较好的为花生型透镜。但是由于花生形透镜采用对称设计，而路灯灯杆一般是放置在路边，所以路灯在使用中会有大量的光照射到路面以外的区域，不利于光能的有效利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供LED路灯的偏光透镜，能使LED路灯的光能集中到路面上，并且形成均匀矩形照明区域。本发明采用如下技术方案：

用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底面，所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射面。

上述的自由曲面偏光透镜，以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。

所述自由曲面由如下方法确定：

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格。

首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区域，取其第一象限和第四象限作为研究对象，则长边为a/2，因为路面纵向偏光，侧边在第一象限的长度为c，第四象限的长度为d，LED光源的总光通量为φ，目标区域的平均照度为Ev(Ev为总光通量除以目标区域面积)，LED中心光强为I₀＝φ/π。将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成n份，沿Y轴方向以步长k等分成m份，得到x(n)和y(m)的数组。这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分成n份，在

角上分成m份。

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角)

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量：

Energy＝k·(c+d)·Ev

第二步，由能量守恒求出θ角：(

角为出射光线与Y轴正向的夹角)

LED出射能量为：

有上述第一步和第二步的能量守恒关系，可以得出θ的迭代关系式，通过计算机计算可以求出一系列θ值。

(3)由能量对应关系计算

角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k²。

第一步，计算每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²

第二步，对应于光源的出射能量为：

第三步，将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出

序列。

(4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为：

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为自由曲面在某一点上的单位法向量；

在计算中，首先确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。计算方法：由(2)，(3)中所确定的θ和

可以求出入射光线的单位向量，通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了自由曲面的坐标。

(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

得到的曲面为对应于YOZ平面镜像，可以得到最终的偏光透镜曲面。

上述的自由曲面偏光透镜，m，n的取值越大，得到所述曲面上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲面。

上述的自由曲面偏光透镜，所述底面为平面，LED灯的发光部分位于所述凹坑内，LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。

上述的自由曲面偏光透镜，所述h的取值范围为5～12m，a的取值范围为30～40m，b的取值范围为8～12m。

上述的自由曲面偏光透镜，偏光透镜由明材料PC或PMMA制成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供一种LED路灯灯具所用偏光透镜，通过透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域成为一矩形均匀照明面，符合国家道路照明的光分布与照度要求。由于目前使用的LED路灯透镜都为对称设计，在使用时大量的光能照射到路面以外的区域，损失了光能。考虑到路灯位置和路面的形状，本发明所述的LED透镜采用为偏光矩形设计，则大幅提高光能的利用率。

附图说明

图1为实施方式中求解透镜自由曲面中LED光源及其球坐标图。

图2为实施方式中目标区域第一象限和第四象限划分网格图。

图3为实施方式中透镜的俯视图。

图4为实施方式中透镜的侧视图。

图5为实施方式中透镜的仰视图。

图6为实施方式中透镜的三维立体图。

图7为实施方式中目标照明区域上的照度分布图。

图8为实施方式中目标照明区域上的光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步描述，但本发明的实施不限于此。

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格，如图1、图2所示。

首先目标照明面与LED的距离为10m，目标照明区域是长为40m，宽为12m的矩形区域，取其第一象限和第四象限作为确定对象，则确定长边为20m，因为LED灯光沿Y轴偏光，侧边在第一象限的长度9m，第四象限的长度为3m，LED光源101的总光通量为100lm，则目标区域的平均照度为0.2083lx，LED中心光强为31.8310cd。将目标照明矩形区域102沿X轴方向以步长0.2m等分成100份，沿Y轴方向以步长0.2m等分成60份，得到x(101)和y(61)的数组：x(1)＝0，x(2)＝0.2，x(3)＝0.4……依次类推；y(1)＝0，y(2)＝0.2，y(3)＝0.4……依次类推。这样在目标照明区域第一、四象限就形成了100×60个等面积的正方形网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分成100份，在

角上分成60份。

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线107与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角)

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的最后能量：

Energy＝k·(c+d)·Ev

带入数据的Energy＝0.2×12×0.2083＝0.4999

第二步，由能量守恒求出θ角：(角为出射光线107与Y轴正向的夹角)

LED出射能量为：

带入数据得 $\frac{\mathrm{\π}{I}_0}{2}\×(\sin \left(\mathrm{\θ}(n+1)\right)-\sin \left(\mathrm{\θ}\left(n\right)\right))$

有上述第一步和第二步的能量守恒关系，可以得出θ的迭代关系式：

$\mathrm{\θ}(n+1)=a\sin (\frac{2\×\mathrm{Energy}}{\mathrm{\π}\·I_0}+\sin \left(\mathrm{\θ}\left(n\right)\right))$

通过计算机计算可以求出一系列θ值。

(3)由能量对应关系计算

角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为0.04m²。

第一步，计算每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²

带入数据得energy＝0.2083×0.04＝0.0083

第二步，对应于光源的出射能量为：

第三步，将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出

序列。

(4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为：

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；

在计算中，首先确定一个计算的初始点，(0，-0.02，0)，该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。计算方法：由(2)，(3)中所确定的θ和

可以求出入射光线的单位向量，通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了自由曲面的坐标。

(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

得到的曲面为对应于YOZ平面镜像，可以得到最终的透镜曲面。

如图3，为通过上述方案得到的透镜俯视图，图4为侧体图，图5为仰视图，图6为立体图，偏光透镜包括内表面201，外表面202和底面203。LED光源101放置与底面203的中央。

图7、图8为LED按照如上所述的方式放置了偏光透镜后的光照效果图，图7为目标平面上的光分布为矩形斑，均匀度较好，有明显的偏光效果。图8为照明面上的光强分布曲线图(A为Y上的光强分布曲线，B为与Y轴夹角为45°的光强分布曲线；C为与Y轴夹角为90°的光强分布曲线，D为与Y轴夹角为135°的光强分布曲线)。可以看出，通过采用上述技术方案后，而能合理控制光线分布使光斑呈矩形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性好。

Claims (7)

1.用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底面，其特征在于所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射面。

2.根据权利要求1所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。

3.根据权利要求2所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于所述透镜的自由曲面的形状由如下方法确定：

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格

目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a、宽为b的矩形区域，取第一象限和第四象限作为确定对象，则确定对象的长边为a/2，LED光沿Y轴方向偏光，宽边在第一象限的长度为c，在第四象限的长度为d，LED光源的总光通量为φ，目标区域的平均照度为Ev＝φ/(a×b)，LED中心光强为I₀＝φ/π，将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成n份，沿Y轴方向以步长k等分成m份，得到x(n)和y(m)的数组；这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格；对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分成n份，在

角上分成m份；

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角，θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角，

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量：

Energy＝k·(c+d)·Ev

第二步，由能量守恒求出θ角：

LED出射能量为：

角为出射光线与Y轴正向的夹角，由上述第一步和第二步的能量守恒关系，得出θ的迭代关系式，通过计算机计算求出一系列θ值；

(3)由能量对应关系计算

角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k²；

每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²，

对应于光源的出射能量为：

将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出

序列；

(4)由折射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标；所述的反射定律公式为：

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量；

在计算中，确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面，计算方法：由(2)，(3)中所确定的θ和

求出入射光线的单位向量，通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代得出所有点的坐标，由此确定了自由曲面的坐标；

(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面，得到的曲面为对应于YOZ平面镜像，得到最终的偏光透镜自由曲面，即所述出射面。

4.根据权利要求3所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于m，n的取值越大，得到所述曲面上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲面。

5.根据权利要求3所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于所述底面为平面。LED灯的发光部分位于所述凹坑内，LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。

6.根据权利要求3所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于所述h的取值范围为5～12m，a的取值范围为30～40m，b的取值范围为8～12m。

7.根据权利要求1～6任一项所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于偏光透镜由明材料PC或PMMA制成。

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